《機械工程控制基礎》實驗教學探索

何一文　李珍

【摘要】《機械工程控制基礎》課程的實驗教學是該課程的重要環節。搞好實驗環節可以提高學生的學習興趣，加深其對理論知識的理解，還可以提高動手能力。本文將軟件仿真、設計制作、搭建調試等形式的實驗項目結合起來，方便學生從多角度理解控制系統，鍛煉學生設計、制作、操作等多方面的能力。經過兩年的教學實踐，取得了良好的教學效果。

【關鍵詞】機械工程控制基礎 實驗教學 MATLAB

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）03-0215-02

《機械工程控制基礎》是我校機械制造及其自動化專業和測控技術與儀器專業學生必修的一門重要的專業基礎課， 課程的主要內容是依托控制論的理論基礎， 來研究和分析機械工程技術中的實際問題。主要包括系統的數學模型、時域頻域分析、穩定性分析和控制器設計等。如果在學習過程中，脫離工程實踐，不能搞懂這些理論分析作用和依據，而只會套公式，就會使學生不是主動學習知識，而是被動的接受知識，使其失去學習興趣，影響學習效果。因此和這門課相對應的實驗環節尤其重要。

一、實驗形式的思考

隨著社會的發展，應用型本科教育的重心向實用性靠攏；這就要求我們的學生既懂控制系統的原理與設計等理論知識，還要能解決在生產過程中遇到的控制系統實際問題。但以往的實驗環節，均采用在電腦上用MATLAB軟件進行仿真驗證的方式進行，學生完成實驗后，對控制系統的構成、作用、分析等仍然理解不深，不能很好地把實驗結果和工程實際很好地結合起來。為了適應社會和企業的要求我們的實驗教學就必須有所改進和創新，根據教學要求和我校實驗室設備的具體情況，我們對實驗形式做了以下改進：

1.保留工程設計應用軟件這種形式，充分利用軟件的強大仿真能力，使得學生能夠將抽象的理論知識形象化，曲線化，用以驗證自己的設計是否合理。

2.應用實驗箱、面包板和元器件讓學生對仿真模塊進行進一步的驗證，可以加深學生對知識的理解，將理論知識與實際應用更好地聯系起來，還可以提高學生元器件選用和動手搭建電路的能力，同時也掌握了信號發生器、示波器等儀器的使用能力。

3.用實際的工業工程設備組成一個閉環的調節系統，通過系統連接，參數設定將被調參數控制到預定的數值，使得學生能夠在實際的控制回路中體會PID參數設置的神奇。作為應用型本科的學生，畢業后從事的工作往往不是控制系統的設計制造而是控制系統的應用維護等實際問題，這種實驗形式與之關聯度更高，更切合實際。

二、實驗的具體實施

下邊以控制器設計為例，討論上述實驗形式是如何具體實施的。

1.應用MATLAB中SIMULINK模塊中的方框圖，將比例電路，積分電路和微分電路的傳遞函數數學模型連接起來，組成如下的系統方框圖，分析本系統的時域特性和頻域特性。

實驗時要求學生根據理論課所學知識，在階躍干擾的作用下，分別加載P（比例）作用控制，PI（比例積分）作用控制，PID（比例積分微分）作用控制的校正曲線進行比較；同時改變調節系數（KP、KI、KD），直觀的了解不同的調節系數對控制質量的影響。

2.應用實驗箱和面包版，用元器件搭建比例、微分、積分電路和被控對象，并用信號發生器和示波器分別發送和觀察輸入輸出信號的波形。

這個環節練習的重點是元器件的選用、信號發生器和示波器的使用以及改變元件參數對應控制系統的響應情況、改變干擾信號的輸入點輸出信號的變化分析等。比較自己搭建的系統和仿真軟件系統同樣輸入信號下曲線的相同點和不同點，并分析原因。

3.用傳感器、調節器、執行元件、被調對象等工程設備組成一個閉環調節系統。

系統包含PT100熱電阻，智能調節器，溫度源（內裝電加熱絲和冷卻風扇）綜合實驗臺等，具體原理及實物圖如圖4、圖5所示。

當溫度源的溫度發生變化時，溫度源中的熱電阻Pt100的阻值發生變化，將電阻變化量作為溫度的反饋信號輸給PID智能溫度調節器，經調節器的電阻-電壓轉換后與溫度設定值比較再進行PID運算輸出可控硅觸發信號（加熱）和繼電器觸發信號（冷卻），使溫度源的溫度趨近溫度設定值。

本環節可以加深學生對溫度控制系統的組成、原理、控制器設計等基礎知識的理解，了解熱電阻傳感器在工程實踐中為了消除線路誤差采用的三線制接法，掌握溫度控制系統PID參數的整定方法。還可以使學生比較人工整定和智能調節器自整定有什么不同，自整定是否可以完全取代人工整定等問題。通過上述過程，可以利用這個簡單的溫度控制系統來提高學生的工程意識和工程能力。

三、實驗效果的總結

通過兩年的探索和實施，我們《機械控制工程基礎》這門課的實驗緊緊圍繞“設計—制造—使用”這條主線進行，取得了意想不到的效果。最明顯的一點是學生對課程的興趣提高了，從被動的聽課到主動地到實驗室預約實驗時間和實驗設備，想盡快盡早的驗證自己設計方案是否合理，如果和預想的有出入可以馬上修正。應用型本科的特點就是培養實用型人才，我們的實驗教學就是要把學生培養成懂設計、懂原理、懂制造、會安裝調試、會合理使用、會快速維修、會維護保養的“三懂四會”的人才，為學生走上工作崗位打下堅實的基礎，同時也為我們其他課程的實驗提供了成熟的改革思路。

參考文獻：

[1]艾超，陳立娟，孔祥東，姚靜.控制工程基礎課程教學模式的改革與實踐[J].教學研究，2015，（7）：94-97.

[2]陳曉.《控制工程基礎》課程實驗教學的研究與探討[J].安陽工學院學報，2015，（2）：112-113.

作者簡介：

何一文（1966.8-），男，漢族，河南泌陽人，博士，講師，研究方向：控制理論。endprint